Design of a Condition Monitoring System for a Glass Wool Production Line

Työn tarkoituksena oli suunnitella kunnonvalvontajärjestelmä kahdelle lasivillan tuotantolinjalle. Suunnitteluprosessin lisäksi työssä on esitelty erilaisia kunnonvalvontamenetelmiä. Työn alussa on kerrottu erilaisista kunnonvalvontamenetelmistä, joilla voidaan seurata erilaisten laitteiden ja koneiden toimintakuntoa.Erityisesti työssä on tarkasteltu teollisuudessa yleistyviä kunnonvalvonnan värähtelymittauksia. Työssä suunniteltu kunnonvalvontajärjestelmä perustuu viiteen eri menetelmään, jotka ovat värähtelymittaus, lämpötilanmittaus lämpökameralla, lämpötilanmittaus kannettavalla mittarilla, kuuntelu elektronisella stetoskoopilla ja pyörivien osien kunnontarkkailu stroboskoopilla. Kunnonvalvontajärjestelmän suunnittelu on tehty useassa eri vaiheessa. Ensin työssä on kartoitettu tuotannon kannalta tärkeimmät laitteet ja niiden mahdolliset vikaantumistavat. Seuraavaksi on valittu sopivat kunnonvalvontamenetelmät ja tehty mittaussuunnitelma, jossa on esitetty eri laitteille suoritettavat mittaukset ja mittausten aikavälit.Lopuksi työssä on esitelty muutama esimerkkitapaus kunnonvalvontamenetelmien käytöstä sekä kerrottu mahdollisista tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista.

Market Opportunity Analysis of the Finnish Mineral Wool Market

Tutkimuksen tarkoituksena on tutkia markkinamahdollisuuksia Suomeneristevillamarkkinoilla. Tutkimuksessa on sekä teoreettinen, että käytännön osuus. Teoreettisessa osiossa luodaan pohja empiiriselle tutkimukselle tutkimalla markkinamahdollisuusanalyysin eri komponenttien sisältöä. Empiirisessä osiossa haastatellaan markkinoiden suurimpia asiakkaita, jotka vastaavat valtaosasta markkinoiden ostovolyymista. Näiden haastattelujen pohjalta pyritään löytämään ne mahdollisuudet mitä eristevillamarkkinoilla on. Tutkimus osoittaa, että markkinamahdollisuusanalyysin eri komponentit ovat tiiviissä keskinäisessä suhteessa. Kattavalla tutkimuksella kyetään osoittamaan eri mahdollisuuksia markkinoilla. Empiirisessä osiossa kyetään osoittamaan, että Suomen eristevillamarkkinoilla on mahdollisuuksia uudelle toimittajalle. Tutkimuksessa esitetään myös joitakin toimenpide-ehdotuksia näiden havaittujen mahdollisuuksien hyödyntämiseksi.

Utilization of recycled mineral wool as filler in wood plastic composites

The impact of a recycled mineral wool filler on the various properties of wood plastic composites was studied and the critical factors affecting the formation of the properties were determined. An estimation of the volume of mineral wool fiber waste generated in the European Union between the years 2010-2020 was presented. Furthermore, the effect of fiber pre-treatment on the properties of the wood plastic composites were studied, and the environmental performance of a wood plastic composite containing recycled mineral fibers was assessed. The results showed that the volumes of construction and demolition waste and new mineral wool produced in the European Union are growing annually, and therefore also the volumes of recycled mineral wool waste generated are increasing. The study showed that the addition of recycled mineral wool into composites can enhance some of the mechanical properties and increase the moisture resistance properties of the composites notably. Recycled mineral wool as a filler in wood plastic composites can also improve the fire resistance properties of composites, but it does not protect the polymer matrix from pyrolysis. Fiber pre-treatment with silane solution improved some of the mechanical properties, but generally the use of maleated polypropylene as the coupling agent led to better mechanical and moisture resistance properties. The environmental performance of recycled mineral wool as the filler in wood plastic composites was superior compared to glass fibers. According to the findings, recycled mineral wool fibers can provide a technically and environmentally viable alternative to the traditional inorganic filler materials used in wood plastic composites.

A novel procedure for establishing clinching parameters for high strength steel sheet

The building industry has a particular interest in using clinching as a joining method for frame constructions of light-frame housing. Normally many clinch joints are required in joining of frames.In order to maximise the strength of the complete assembly, each clinch joint must be as sound as possible. Experimental testing is the main means of optimising a particular clinch joint. This includes shear strength testing and visual observation of joint cross-sections. The manufacturers of clinching equipment normally perform such experimental trials. Finite element analysis can also be used to optimise the tool geometry and the process parameter, X, which represents the thickness of the base of the joint. However, such procedures require dedicated software, a skilled operator, and test specimens in order to verify the finite element model. In addition, when using current technology several hours' computing time may be necessary. The objective of the study was to develop a simple calculation procedure for rapidly establishing an optimum value for the parameter X for a given tool combination. It should be possible to use the procedure on a daily basis, without stringent demands on the skill of the operator or the equipment. It is also desirable that the procedure would significantly decrease thenumber of shear strength tests required for verification. The experimental workinvolved tests in order to obtain an understanding of the behaviour of the sheets during clinching. The most notable observation concerned the stage of the process in which the upper sheet was initially bent, after which the deformation mechanism changed to shearing and elongation. The amount of deformation was measured relative to the original location of the upper sheet, and characterised as the C-measure. By understanding in detail the behaviour of the upper sheet, it waspossible to estimate a bending line function for the surface of the upper sheet. A procedure was developed, which makes it possible to estimate the process parameter X for each tool combination with a fixed die. The procedure is based on equating the volume of material on the punch side with the volume of the die. Detailed information concerning the behaviour of material on the punch side is required, assuming that the volume of die does not change during the process. The procedure was applied to shear strength testing of a sample material. The sample material was continuously hot-dip zinc-coated high-strength constructional steel,with a nominal thickness of 1.0 mm. The minimum Rp0.2 proof stress was 637 N/mm2. Such material has not yet been used extensively in light-frame housing, and little has been published on clinching of the material. The performance of the material is therefore of particular interest. Companies that use clinching on a daily basis stand to gain the greatest benefit from the procedure. By understanding the behaviour of sheets in different cases, it is possible to use data at an early stage for adjusting and optimising the process. In particular, the functionality of common tools can be increased since it is possible to characterise the complete range of existing tools. The study increases and broadens the amount ofbasic information concerning the clinching process. New approaches and points of view are presented and used for generating new knowledge.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

Materiaalinohjauksen ja varastojenhallinnan kehittäminen eristeteollisuudessa

Tuotantotoimintaa harjoittavalla yrityksellä raaka-aineet ja materiaalit ovat keskeinen osa tuotantotoimintaa ja usein niihin on sitoutuneena myös paljon arvokasta pääomaa. Diplomityössä selvitettiin materiaalinohjauksen ja varastojenhallinnan kehittämismahdollisuuksia mineraalipohjaisia eristetuotteita valmistavassa teollisuusyrityksessä. Työn tavoitteena oli kehittää organisaatiolle uusi toimintamalli, jonka pohjalta yrityksen materiaalinohjaus on tehokkaampaa ja systemaattisempaa pääoman käytön kannalta mitattuna sekä paremmin tuotantoa palvelevaa. Työ perustuu organisaatiossa toteutettuun haastattelututkimukseen sekä tietojärjestelmäpohjaiseen tutkimukseen. Haastattelututkimuksella on selvitetty organisaation sisäinen materiaalinohjausprosessi ja tietojärjestelmätietojen pohjalta on analysoitu lähtökohtatilannetta ABC-analyysin avulla sekä laskettu uudet ohjausarvot materiaalinimikkeille. Työn tuloksena organisaation materiaalinohjaukseen luotiin uusi yksinkertaistettu toimintamalli sisältäen valitut ohjausmenetelmät ohjausarvoineen, tietojärjestelmäintegraation sekä suositukset tulevaisuuden toiminnan suhteen.

Uusien energianormien vaikutus pientalojen rakenteisiin ympäristön kannalta

Tehokkaimpia keinoja vähentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta ja lämmityksen aiheuttavia hiilidioksidi- ja happamoitavia päästöjä on tiukentaa rakentamismääräysten lämmöneristysvaatimuksia. Hyvin lämmöneristetyissä, tiiveissä ja ilmanvaihdoltaan optimoiduissa taloissa on pienet lämpöhäviöt. Näin ympäristöä kuormittava vaikutus saadaan paljon vähemmäksi kuin nykynormien mukaisissa asuinrakennuksissa. Johtumislämpöhäviö pienenee suoraan eristekerroksia paksuntamalla ja siihen on helpointa vaikuttaa. Mitä suurempiin eristepaksuuksiin mennään sen suuremmaksi tulee konvektion osuus kokonaislämpöhäviöstä. Tulevaisuudessa parempia ratkaisuja haetaan erityisesti konvektiosta ja säteilystä aiheutuvien lämpöhäviöiden pienentämiseksi. Eristeen osastointi ilmanpitävillä, vesihöyryä diffuusisesti läpäisevillä pystysuuntaisilla konvektiokatkoilla vähentää tehokkaasti paksun seinäeristeen kuljettumis-ilmavirtauksia. Katkoina käytetään erilaisia kalvoja ja rakennuspapereita, joilla on pieni emissiviteetti. Katkojen merkitys kasvaa, kun mennään uusien normien mukaisiin eristepaksuuksiin. Lämmöneriste voidaan toteuttaa myös kokoamalla ohuita kalvoja paketiksi, jotka jakavat ilmatilan ja siis eristeelle varatun paksuuden suljettuihin ilmaväleihin. Kun kalvoiksi valitaan pieniemissiviteettisiä pintoja, saadaan säteilylämmönsiirto lähes eliminoiduksi. Tällaisen ilmatilan lämmönjohtumisluku lähestyy paikallaan pysyvän ilman lämmönjohtumislukua, l = 0,025 W/Km, eli tällä rakennesysteemillä on mahdollista toteuttaa ohuempia rakenteita kuin perinteisillä eristeillä. Hygroskooppisen massan käyttö sisäilman kosteutta tasaavana rakenteena voi olla tulevaisuutta. Kehitystyö tuottaa uusia, kosteusteknisesti toimivia sovelluksia. Toisaalta palomääräykset tulevat kehitystyötä vastaan. Hygroskooppinen pintamateriaali on kevyt (pieni tiheys) ja paloteknisesti arka. Suoraa sähkölämmitystä ei voida pitää ympäristöystävällisenä. Sen jalostusketju on pitkä ja monivaiheinen. Millä peruspolttoaineella sähköä tuotetaan, vaikuttaa asiaan luonnollisestikin. Suoraa sähkölämmitystä voidaan suositella vain yksinäisen ihmisen taloudessa lämmitysmuotona taloudellisista syistä. Halvan polttoaineen säästöllä ei voida maksaa suuria laiteinvestointeja. Aurinkoenergian hyvä hyödyntäminen edellyttää hyvää säätöä, joka kytkee lämmityksen pois päältä silloin, kun aurinko lämmittää. Auringon hetkelliset säteilytehot ovat suuria verrattuna rakenteen lämpöhäviöihin ja huonetilojen lämmöntarpeeseen. Ratkaisu aurinkoenergian hetkellisyyteen ja paikallisuuteen on energian siirtäminen lämmöntarpeen mukaan rakennuksen eri osiin ja sen varastoiminen päivätasolla. Kun varastoivasta massasta ei ole suoraa yhteyttä ulos, voidaan kerääjäeristeeltä saatu lämpö käyttää häviöttömästi huonetilojen lämmittämiseen. Vaikka lämmitysenergian käytössä päästään 30 % vähennyksiin uudisrakennusten osalta, ei kokonaisenergian käyttö merkittävästi pienene, jos taloussähkön kulutus pysyy vakiona. Sama pätee myös CO2 -päästöihin. Saavutettava etu lämmitys-energian kulutuksessa voidaan hukata yhä suurenevaksi taloussähkön käytöksi, mikä olisi erityisen huono asia ympäristön kannalta.

Pastalietteen hyödyntäminen raaka-aineena.

Pastalietettä syntyy metsäteollisuudessa päällystettyä paperia ja kartonkia valmistavissa yksiköissä, joissa on pastapitoisten vesien erilliskäsittely. Pastalietettä syntyi Suomessa vuonna 1998 noin 50 000 tw. Pastapitoisille vesille on kehitetty käsittelymenetelmiä, joilla pasta voidaan kierrättää takaisin prosessiin. Näistä menetelmistä mainittakoon ultrasuodatus, joka on jo käytössä eräillä tehtailla, sekä dispergointi-menetelmä, joka on pastalietteen osalta koekäyttöasteella. Pastalietteen soveltuvuutta sorateiden kulutuskerrosmateriaaliksi tutkittiin alustavasti koelaatikoin ja laboratoriokokein. Pastalietteellä on näiden tutkimusten mukaan murskeen tiivistyvyyttä parantavia ominaisuuksia. Koelaatikoista sitoutumista ja käyttäytymistä sään vaihdellessa on seurattu silmämääräisesti ja alustavat arviot ovat varovaisen lupaavia Pastalietteen arvioitu menekki on 37 t/km, jolloin koko Suomessa syntyvällä pastalietemäärällä voitaisiin käsitellä 1 350 soratiekilometriä Kuivatun pastalietteen käyttöä kiviainesteollisuuden raaka-aineeksi on kartoitettu tiilen, kevytsoran ja vuorivillan valmistuksessa. Tiilen valmistuksessa pastalietettä on jo käytetty, tulokset ovat olleet vaihtelevia. Pastalietteen hyötykäyttöpotentiaalia nykyisillä tiilitehtailla on arvioiden mukaan 15 000 t/a. Käyttö kevytsoran ja vuorivillan valmistuksessa vaatisi lisätutkimuksia

Suurnopeuskompressorin tekninen markkinoilletuonti

Diplomityössä tarkastellaan suurnopeuskompressorin kehityspolkua suurnopeusteknologian lähtökohdista prototyypiksi ja edelleen teolliseksi tuotteeksi. Työssä tarkastelun kohteena on sähköteholtaan 20….250 kW oleva, suurnopeussähkökoneella ja öljyttömillä magneettilaakereilla varustettu keskipainekompressori. Tyypillisesti kompressorin painesuhde on 1,2 … 2,4. Ko. kompressorin käyttökohteina on tarkasteltu mm. pienen kunnallisen jätevedenpuhdistamon käsittelyaltaiden ilmastusta, suuren kaupungin vastaavan puhdistuslaitoksen ilmastuskäyttöä ja teollista käyttöä lasivillatehtaan ns. linkokompressorina. Suurnopeuskompressori soveltuu hyvin rinnankytkentään ns. ryhmäohjaimen avulla, jolloin rinnan voi olla kytkettynä jopa 16 kompressoria, joiden päällä oloa optimoidaan säätöteknisesti niin, että koko laitos on kuin yksi kompressori. Työssä tarkastellaan myös kompressorin em. sovellutuksista yli kahdeksan vuoden ajalta kaupallista kohteista saatuja käyttökokemuksia. Pääsäätöisesti voi sanoa, että jokaisessa uudessa sovellutuksessa ilmenee uusia reunaehtoja ja järjestelmäkohtaisia vaatimuksia, jotka täytyy huomioida kompressorin säädössä ja ominaisparametreissa.

Eristystekniikan kehittämisen vaikutukset

Diplomityön tavoitteena oli selvittää eristysmenetelmien ja –materiaalien vaikutukset eristyksestä aiheutuviin käyttökustannuksiin. Tavoitteena oli selvittää nykyisistä eristeistä aiheutuvat lämpöhäviöt ja muut kustannukset, vertailla eri eristysmateriaaleja keskenään, löytää paras mahdollinen eristysmateriaali ja –menetelmä öljynjalostamolle ja verrata uudesta eristyksestä syntyneitä kustannuksia vanhan eristyksen aiheuttamiin kustannuksiin. Työssä selvitettiin, kuinka eristykset on tehty öljynjalostamolla, paneuduttiin huonon eristämisen aiheuttamiin ongelmiin ja pyrittiin ratkaisemaan ne. SFS –standardiin perustuvilla menetelmillä laskettiin eristysten lämpöhäviöt ja lisäksi laskettiin niistä aiheutuvat kustannukset. Materiaaleja verrattiin toisiinsa erilaisilla investointilaskentamenetelmillä. Työssä havaittiin, että nykyisten eristysten aiheuttamat lämpöhäviöt ovat niin suuret, että vanhojen eristysten uusiminen on kannattavaa. Saatavilla olevien tietojen perusteella vuorivillakouru on paras eristysmateriaali vanhaa eristystä korjattaessa. Uutta linjaa tehdessä polyuretaanilla esieristetty putki on taloudellisesti kannattavin ratkaisu.

Biopolttoaineilla toimiva Stirling-voimalaitos

Stirling-moottori on ns. kuumailma moottori, joka toimii kaasun lämpötilaeron avulla. Kuumailma moottorin erityispiirteitä on laitteen ulkopuolella tapahtuva palaminen, josta lämpö johdetaan moottorille. Yleensä polttoaineena on käytetty vähän likaavaa polttoainetta esim. maakaasua mutta fossiilisten polttoaineiden kallistumisen ja niistä aiheutuvien päästöjen vuoksi niiden korvaaminen biopolttoaineella on tullut ajankohtaiseksi aiheeksi. Biopolttoaineiden likaavuuden takia niillä ei kuitenkaan voida lämmittää Stirling-moottoria suoraan vaan tarvitaan ylimääräinen lämmönsiirrin. Tämä diplomityö suoritettiin Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle ja sen tarkoituksena oli tutkia juuri tähän laitteistoon suunnitellun, Stirling-moottorin ja polttokammion välisen lämmönsiirtimen suoritusarvoja ja likaantumista. Lisäksi työssä tutkittiin lämmönsiirtimeltä Stirling-moottorille menevien ilmaputkien lämpöhäviöitä. Työssä tultiin siihen tulokseen, että tämän tyyppinen lämmönsiirrin on suoritusarvoiltaan keskiverto kaasu-kaasu lämmönsiirrintä parempi ja ei likaannu erityisen nopeasti. Lämpöhäviöt olivat toisaalta merkittävämmässä asemassa kuin likaantuminen. Suurista lämpötiloista johtuva eristeiden lämmöneristyskyvyn heikkeneminen tai lämmönsiirtimen vuoto aiheutti merkittäviä lämpöhäviöitä.

Eristekourujen ponttauslaitteen suunnittelu

Diplomityössä suunnitellaan eristekourujen ponttauslaite, jolla pystytään ponttaamaan eristekouruja. Pontattavien eristekourujen pituus ja halkaisija muuttuvat. Suunnittelun lähtökohtana on nykyisin käytössä olevien ponttauslaitteiden ergonomia- ja työturvallisuusongelmat. Työssä käydään läpi erilaisia mahdollisuuksia ponttauslaitteen toteutukseen ja kehitellään kaksi periaatteellista ratkaisua toimiviksi kokoonpanoiksi. Kokoonpanoista valitaan perustellusti parempi vaihtoehto jatkokehitykseen ja se kehitellään valmiiksi ponttauslaitteeksi. Työ käsittää laitteen mekaniikkasuunnittelun, automaatiosuunnittelu rajataan työn ulkopuolelle. Työn eteneminen seuraa järjestelmällisen koneensuunnitteluprosessin vaiheita. Lopputuloksena suunniteltiin laite, joka toteuttaa sille asetetut suoritusvaatimukset. Suunniteltu laite on turvallinen ja ergonomiset vaatimukset täyttävä. Lisäksi laitteen rungolle tehtiin värähtelytarkasteluja, joiden perusteella analysoitiin ominais- ja herätetaajuuksien suhteita sekä rungon jäykistämisen vaikutuksia.

Hajupäästöjen tutkiminen Saint-Gobain Rakennustuotteet Oy:n Hyvinkään lasivillatehtaalla

Hajupäästöillä tarkoitetaan tavallisesti teollisen toiminnan aiheuttamia hajuaineiden päästöjä ympäristöön. Suomessa ympäristölainsäädäntö ei varsinaisesti kiellä hajuaineiden päästöjä mutta edellyttää kuitenkin, ettei niistä aiheudu merkittävää viihtyvyyshaittaa. Tässä työssä tutkittiin hajupäästöjä Saint-Gobain Rakennustuotteet Oy:n Hyvinkään lasivillatehtaalla. Tavoitteena työssä oli selvittää, mikä on tehtaan aiheuttamien päästöjen hajuvaikutus, ja mitä hajuyhdisteitä valmistusprosessissa muodostuu. Lisäksi työssä selvitettiin miten hajupäästöjä pystyttäisiin vähentämään. Työn kokeellisten tutkimusten aikana kerättiin tietoa hajun esiintymisestä valitulta tarkasteluajanjaksolta sekä mitattiin mm. tehtaan savukaasujen hajupitoisuutta ja koostumusta. Mittauksissa kaasunäytteiden hajupitoisuudeksi saatiin 170 HY/m3, joka kuvaa suhteellisen mietoa hajua. Näytteistä analysoidut haihtuvat orgaaniset yhdisteet olivat suurelta osin peräisin lasivillan valmistuksessa käytetystä sideaineesta, jota lisätään tuotteen joukkoon kuidutusvaiheessa. Ympäristöstä otetuista näytteistä ei kuitenkaan havaittu piipun yhdisteitä, mikä viittaisi siihen, että mittausjaksonaikana tehtaan päästöjen leviäminen ympäristöön on tapahtunut melko pieninä pitoisuuksina. Lisäksi on mahdollista, että ulkoilmassa yhdisteissä tapahtuu kemiallista muutuntaa ja hajontaa, jonka seurauksena yhdisteet muuttuvat. Tehtaan hajuhaitat vaikuttaisivat tutkimustulosten mukaan johtuvan savupainumaksi kutsutusta ilmiöstä. Savupainumaan vaikuttavat kaasun lämpömäärä sekä ympäristön olosuhteet ja topografia. Hajuhaittojen poistamiseksi olisi muodostuvia hajuyhdisteitä pystyttävä vähentämään 95-100 %.

Teollisuuden sivutuotteiden hyödyntäminen ekstruusion raaka-aineena

Ilmaston lämpeneminen ja luonnonvarojen ehtyminen ovat nostaneet ympäristöasiat erittäin ajankohtaisiksi ja kierrättämisen merkitys korostuu entisestään. Tässä diplomityössä on käsitelty teollisuuden jätteiden ja sivutuotteiden kierrättämistä puumuovikomposiitin raaka-aineeksi. Työssä on tutkittu Kaakkois-Suomessa olevia tärkeimpiä teollisuuden sivuainevirtoja puumuovikomposiitin kannalta sekä valmistettu puumuovikomposiittia hyödyntämällä kahta kaatopaikalle päätyvää jätettä. Kaakkois-Suomen teollisuuden jätteitä selvitettäessä löytyi paljon puumuovikomposiitin valmistamiseen soveltuvia jätteitä. Mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteita käytetään yleisesti puumuovikomposiitin valmistamiseen. Muita potentiaaliseksi havaittuja raakaaineita ovat mm. lentotuhka, lasikuitujäte, pakkauskartonki, muovijätteet ja vuorivillan valmistuksessa syntyvät jätteet. Koemateriaaleiksi valittiin puunpoltosta peräisin oleva lentotuhka ja vuorivillan valmistamisessa syntyvä vuorivillapöly. Materiaaleilla korvattiin puuta puumuovikomposiitissa ja valmistetulle komposiitille suoritettiin kokeita mekaanisten ominaisuuksien selvittämiseksi. Molempien materiaalien kohdalla ominaisuuksien havaittiin parantuneen ilman täyteainetta valmistettuun komposiittiin verrattuna.

Repair of segmental bone defects with fiber-reinforced composite: a study of material development and an animal model on rabbits

The Repair of segmental defects in load-bearing long bones is a challenging task because of the diversity of the load affecting the area; axial, bending, shearing and torsional forces all come together to test the stability/integrity of the bone. The natural biomechanical requirements for bone restorative materials include strength to withstand heavy loads, and adaptivity to conform into a biological environment without disturbing or damaging it. Fiber-reinforced composite (FRC) materials have shown promise, as metals and ceramics have been too rigid, and polymers alone are lacking in strength which is needed for restoration. The versatility of the fiber-reinforced composites also allows tailoring of the composite to meet the multitude of bone properties in the skeleton. The attachment and incorporation of a bone substitute to bone has been advanced by different surface modification methods. Most often this is achieved by the creation of surface texture, which allows bone growth, onto the substitute, creating a mechanical interlocking. Another method is to alter the chemical properties of the surface to create bonding with the bone – for example with a hydroxyapatite (HA) or a bioactive glass (BG) coating. A novel fiber-reinforced composite implant material with a porous surface was developed for bone substitution purposes in load-bearing applications. The material’s biomechanical properties were tailored with unidirectional fiber reinforcement to match the strength of cortical bone. To advance bone growth onto the material, an optimal surface porosity was created by a dissolution process, and an addition of bioactive glass to the material was explored. The effects of dissolution and orientation of the fiber reinforcement were also evaluated for bone-bonding purposes. The Biological response to the implant material was evaluated in a cell culture study to assure the safety of the materials combined. To test the material’s properties in a clinical setting, an animal model was used. A critical-size bone defect in a rabbit’s tibia was used to test the material in a load-bearing application, with short- and long-term follow-up, and a histological evaluation of the incorporation to the host bone. The biomechanical results of the study showed that the material is durable and the tailoring of the properties can be reproduced reliably. The Biological response - ex vivo - to the created surface structure favours the attachment and growth of bone cells, with the additional benefit of bioactive glass appearing on the surface. No toxic reactions to possible agents leaching from the material could be detected in the cell culture study when compared to a nontoxic control material. The mechanical interlocking was enhanced - as expected - with the porosity, whereas the reinforcing fibers protruding from the surface of the implant gave additional strength when tested in a bone-bonding model. Animal experiments verified that the material is capable of withstanding load-bearing conditions in prolonged use without breaking of the material or creating stress shielding effects to the host bone. A Histological examination verified the enhanced incorporation to host bone with an abundance of bone growth onto and over the material. This was achieved with minimal tissue reactions to a foreign body. An FRC implant with surface porosity displays potential in the field of reconstructive surgery, especially regarding large bone defects with high demands on strength and shape retention in load-bearing areas or flat bones such as facial / cranial bones. The benefits of modifying the strength of the material and adjusting the surface properties with fiber reinforcement and bone-bonding additives to meet the requirements of different bone qualities are still to be fully discovered.